采用弱反射光纤布拉格光栅的声波方向检测
发布时间：2021-01-10 21:59
提出一种用于声波方向检测的弱反射光纤布拉格光栅（WFBG）分布式传感器,并进行了实验验证。将两个相邻WFBG间的分布式传感光纤用于检测声波振动信号。两段传感光纤解调的信号相位差对应于声波到达的时间差,再由时间差计算得到声波方向。一段长50 m的传感光纤环放置于振动液柱内,测得其平均声压灵敏度为-155.10 dB（re rad/μPa）;两段50 m的传感光纤分布放置在木地板上用于接收正弦声波,探测方向的均方根误差为1.35°。理论推导和实验结果表明,这种分布式传感器能够实现对声波方向的检测,与传统基底缠绕光纤结构相比尺寸超细,有望搭载在水下无人航行器上,实现对水下发声目标的探测。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于WFBG的分布式传感器的系统原理图
由图1中的光纤传感系统解调出正弦波信号,并得到Δφsignal,通过(10)式即可计算出θ0。对(8)～(10)式进行仿真,取θ0=10°,声波传播距离z和初始相位φ0设置为0,频率f和速度c分别设置为325 Hz、1500 m/s,L设置为声波波长的一半,M=100。光纤相关参数会影响正弦波信号的幅度,此处将其幅度设置为1(只需探讨其频率和相位信息)。图2所示为两段传感光纤的仿真信号。从频域上看,信号的频率与声波的频率一致,即325 Hz;从时域上看,两个信号相位相差πsin(π/18),由(10)式即可求得θ0为π/18,与θ0的初始设置值一致。3 实验与分析
图4所示为光纤传感系统解调出的信号。在图4(a)中,对于一个周期的声光调制器驱动信号,第1个峰和第3个峰均为WFBG反射峰,为无用信号,第2个峰为有用干涉峰。图4(b)所示为连续多个声光调制器周期下提取得到的干涉信号,使用对称解调零差算法即可求解出传感光纤的正弦波信号Δφsignal。图4(c)所示为在同一激励声源下,7次测量的Δφsignal信号,对解调信号进行正弦波拟合,拟合结果如表1所示。从表1中可得出:解调信号的频率在294.18～331.97 Hz之间波动,均方根误差为11.37 Hz;解调信号的幅度在0.36～1.36 rad之间波动,平均幅度为0.84 rad。由(11)式声压灵敏度换算公式[17],可得到传感光纤的灵敏度为-155.10 dB(re rad/μPa)。拟合的正弦波频率和幅度存在波动的原因可能是传感光纤环没有固定的结构(传统方法中光纤环有结构,如文献[13]光纤缠绕在基底上)。传感光纤的灵敏度较低,可以通过对光纤进行二次涂覆来提高灵敏度。声压灵敏度的表达式为Μ signal =20lg Δφ signal Μ a Μ ak U a hρΚ -120, ??? (11)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于弱光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪振动传感系统[J]. 黎威,张永佳. 中国激光. 2018(08)
[2]光纤光栅在线制备技术研究进展[J]. 余海湖,郑羽,郭会勇,姜德生. 功能材料. 2014(12)
[3]基于全同弱反射光栅光纤的分布式传感研究[J]. 张满亮,孙琪真,王梓,李晓磊,刘海荣,刘德明. 激光与光电子学进展. 2011(08)
博士论文
[1]基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列关键技术研究[D]. 林惠祖.国防科学技术大学 2013
本文编号：2969488
【文章来源】：中国激光. 2020,47(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于WFBG的分布式传感器的系统原理图
由图1中的光纤传感系统解调出正弦波信号,并得到Δφsignal,通过(10)式即可计算出θ0。对(8)～(10)式进行仿真,取θ0=10°,声波传播距离z和初始相位φ0设置为0,频率f和速度c分别设置为325 Hz、1500 m/s,L设置为声波波长的一半,M=100。光纤相关参数会影响正弦波信号的幅度,此处将其幅度设置为1(只需探讨其频率和相位信息)。图2所示为两段传感光纤的仿真信号。从频域上看,信号的频率与声波的频率一致,即325 Hz;从时域上看,两个信号相位相差πsin(π/18),由(10)式即可求得θ0为π/18,与θ0的初始设置值一致。3 实验与分析
图4所示为光纤传感系统解调出的信号。在图4(a)中,对于一个周期的声光调制器驱动信号,第1个峰和第3个峰均为WFBG反射峰,为无用信号,第2个峰为有用干涉峰。图4(b)所示为连续多个声光调制器周期下提取得到的干涉信号,使用对称解调零差算法即可求解出传感光纤的正弦波信号Δφsignal。图4(c)所示为在同一激励声源下,7次测量的Δφsignal信号,对解调信号进行正弦波拟合,拟合结果如表1所示。从表1中可得出:解调信号的频率在294.18～331.97 Hz之间波动,均方根误差为11.37 Hz;解调信号的幅度在0.36～1.36 rad之间波动,平均幅度为0.84 rad。由(11)式声压灵敏度换算公式[17],可得到传感光纤的灵敏度为-155.10 dB(re rad/μPa)。拟合的正弦波频率和幅度存在波动的原因可能是传感光纤环没有固定的结构(传统方法中光纤环有结构,如文献[13]光纤缠绕在基底上)。传感光纤的灵敏度较低,可以通过对光纤进行二次涂覆来提高灵敏度。声压灵敏度的表达式为Μ signal =20lg Δφ signal Μ a Μ ak U a hρΚ -120, ??? (11)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于弱光栅阵列的增强相位敏感光时域反射仪振动传感系统[J]. 黎威,张永佳. 中国激光. 2018(08)
[2]光纤光栅在线制备技术研究进展[J]. 余海湖,郑羽,郭会勇,姜德生. 功能材料. 2014(12)
[3]基于全同弱反射光栅光纤的分布式传感研究[J]. 张满亮,孙琪真,王梓,李晓磊,刘海荣,刘德明. 激光与光电子学进展. 2011(08)
博士论文
[1]基于匹配干涉的光纤光栅水听器阵列关键技术研究[D]. 林惠祖.国防科学技术大学 2013
本文编号：2969488
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2969488.html
